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前言
渲染机制是Android操作系统很重要的一环，本系列通过介绍应用从启动到渲染的流程，揭秘Android渲染原理。
问题
1.vsync如何协调应用和SurfaceFlinger配合来完成UI渲染、显示，App接收vsync后要做哪些工作？
2.requestLayout和invalidate区别？
3.performTraversals到底是干什么了？
4.surfaceflinger怎么分发vsync信号的？
5.app需要主动请求vsync信号，sw sync才会分发给app？
6.surfaceview显示视频的时候，视频会一直频繁刷新界面，为什么整个UI界面没有卡顿？
7.app是如何构建起上面这套机制的？
如果对于上面的几个问题没有非常确认、清晰的答案可以继续看下去，本文通过详细介绍渲染机制解答上面的问题。
Vsync信号
Android在“黄油计划”中引入的一个重要机制就是：vsync，引入vsync本质上是要协调app生成UI数据和SurfaceFlinger合成图像，app是数据的生产者，surfaceflinger是数据的消费者，vsync引入避免Tearing现象。vsync信号有两个消费者，一个是app，一个是surfaceflinger，这两个消费者并不是同时接收vsync，而是他们之间有个offset。
vsync-offset引入原因
上面提到hw vsync信号在目前的Android系统中有两个receiver，App + SurfaceFlinger，hw sync会转化为sw sync分别分发给app和sf，分别称为vsync-app和vsync-sf。app和sf接收vsync会有一个offset，引入这个机制的原因是提升“跟手性”，也就是降低输入响应延。
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如果app和sf同时接收hw sync，从上面可以看到需要经过vsync * 2的时间画面才能显示到屏幕，如果合理的规划app和sf接收vsync的时机，想像一下，如果vsync-sf比vsync-app延迟一定时间，如果这个时间安排合理达到如下效果就能降低延迟：
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SufaceFlinger工作机制
组成架构
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EventControlThread: 控制硬件vsync的开关
-
DispSyncThread: 软件产生vsync的线程
-
SF EventThread: 该线程用于SurfaceFlinger接收vsync信号用于渲染
-
App EventThread: 该线程用于接收vsync信号并且上报给App进程，App开始画图
- HW vsync, 真实由硬件产生的vsync信号
- SW vsync, 由DispSync产生的vsync信号
- vsync-sf, SF接收到的vsync信号
- vsync-app, App接收到的vsync信号
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应用程序基本架构
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Android应用进程核心组成
上图列举了Android应用进程侧的几个核心类，PhoneWindow的构建是一个非常重要的过程，应用启动显示的内容装载到其内部的mDecor，Activity(PhoneWindow)要能接收控制也需要mWindowManager发挥作用。ViewRootImpl是应用进程运转的发动机，可以看到ViewRootImpl内部包含mView、mSurface、Choregrapher，mView代表整个控件树，mSurfacce代表画布，应用的UI渲染会直接放到mSurface中，Choregorapher使得应用请求vsync信号，接收信号后开始渲染流程，下面介绍上图构建的流程。
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应用启动流程图(下文称该图为P0)
进程启动
应用冷启动第一步就是要先创建进程，这跟linux类似C/C++程序是一致的，Android亦是通过fork来孵化应用进程，我们知道Linux fork的子进程继承父进程很多的资源，即所谓的COW。应用进程同样会从其父进程zygote处继承资源，比如art虚拟机实例、预加载的class/drawable资源等，以付出一些开机时间为代价，一来能够节省内存，二来能够加速应用性能，下面结合systrace介绍Android如何启动一个应用进程，应用启动第一个介入的管理者是AMS,应用启动过程中AMS发现没有process创建，就会请求zygote fork进程，下图就是AMS中创建进程的耗时：
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AMS(ActivityManagerService)请求zygote创建进程的流程如下：
##ActvityManager:startProcessLocked
private final void startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,
String hostingNameStr, String abiOverride, String entryPoint, String[] entryPointArgs) {
boolean isActivityProcess = (entryPoint == null);
if (entryPoint == null) entryPoint = "android.app.ActivityThread";
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "Start proc: " +app.processName);
checkTime(startTime, "startProcess: asking zygote to start proc");
ProcessStartResult startResult;
if (hostingType.equals("webview_service")) {
startResult = startWebView(entryPoint,
app.processName, uid, uid, gids, debugFlags, mountExternal,
app.info.targetSdkVersion, seInfo, requiredAbi, instructionSet,
app.info.dataDir, null, entryPointArgs);
} else {
startResult = Process.start(entryPoint,
app.processName, uid, uid, gids, debugFlags, mountExternal,
app.info.targetSdkVersion, seInfo, requiredAbi, instructionSet,
app.info.dataDir, invokeWith, entryPointArgs);
}
checkTime(startTime, "startProcess: returned from zygote!");
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
}
前面systrace打印的proc创建时间就是来自与此，Process.start是请求zygote来创建创建进程，这其中有几个很重要问题，比如新建进程入口函数在哪？这个新建进程如何做到创建以后能够不退出，且能不断响应外部输入的等，接下来介绍下入口函数这个点，正如C/C++跑起来去找main函数一样，可以看到startProcess函数有个entrypoint参数：
if (entryPoint == null) entryPoint = "android.app.ActivityThread";
原来进程启动以后就会先去执行ActivityThread：main这个入口，应用自此开始了自己启动流程，这点systrace展示的非常清晰：
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看到上面PostFork色块，很明显是Process创建成功后的打印，然后代码继续执行到ZygoteInit，ZygoteInit真正来查找entrypoint，应用程序跳转到ActivityThread.Main开始执行：
public static final Runnable zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader) {
if (RuntimeInit.DEBUG) {
Slog.d(RuntimeInit.TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
}
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ZygoteInit");
RuntimeInit.redirectLogStreams();
RuntimeInit.commonInit();
ZygoteInit.nativeZygoteInit();
return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}
上面代码RuntimeInit.applicationInit内部执行findStaticMain查找入口函数：
protected static Runnable applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
ClassLoader classLoader) {
// If the application calls System.exit(), terminate the process
// immediately without running any shutdown hooks. It is not possible to
// shutdown an Android application gracefully. Among other things, the
// Android runtime shutdown hooks close the Binder driver, which can cause
// leftover running threads to crash before the process actually exits.
nativeSetExitWithoutCleanup(true);
// We want to be fairly aggressive about heap utilization, to avoid
// holding on to a lot of memory that isn't needed.
VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);
final Arguments args = new Arguments(argv);
// The end of of the RuntimeInit event (see #zygoteInit).
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
// Remaining arguments are passed to the start class's static main
return findStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}
OK，至此进入systrace显示ActivityThread.main函数执行，也就是达到了P0的第3步骤。
ActivityThread对象
ActivityThread main执行的第一件事是调用AMS的attacApplicationLock(P0 :6）向大管家汇报：“进程已经启动好了，继续往下启动吧”。AMS收到汇报就回调了（P0：7）ActvityThread的bindApplication，这里“绑定”理解起来比较抽象，到底是要把哪些东西跟应用程序“绑定”起来呢？其实是把app本身的“上下文（context）”信息跟刚刚创建的进程绑定起来，噢，又出来一个“上下文(context)”概念，用大白话讲就是应用的apk包包含应用的所有身家信息，这些个信息就可以称为是应用的“上下文（context）”，应用可以通过这个Context访问自己的家当，此处会创建Application Context（具体关于应用程序几种context区别自行google，此处不予展开）
private void handleBindApplication(AppBindData data) {
mBoundApplication = data;
mConfiguration = new Configuration(data.config);
mCompatConfiguration = new Configuration(data.config);
final ContextImpl appContext = ContextImpl.createAppContext(this, data.info);
updateLocaleListFromAppContext(appContext,
mResourcesManager.getConfiguration().getLocales());
if (ii != null) {
final ApplicationInfo instrApp = new ApplicationInfo();
ii.copyTo(instrApp);
instrApp.initForUser(UserHandle.myUserId());
final LoadedApk pi = getPackageInfo(instrApp, data.compatInfo,
appContext.getClassLoader(), false, true, false);
final ContextImpl instrContext = ContextImpl.createAppContext(this, pi);
final ComponentName component = new ComponentName(ii.packageName, ii.name);
mInstrumentation.init(this, instrContext, appContext, component,
data.instrumentationWatcher, data.instrumentationUiAutomationConnection);
} else {
mInstrumentation = new Instrumentation();
}
Application app;
try {
app = data.info.makeApplication(data.restrictedBackupMode, null);
mInitialApplication = app;
try {
mInstrumentation.onCreate(data.instrumentationArgs);
}
try {
mInstrumentation.callApplicationOnCreate(app);
}
}
}
上面回调到应用程序Application.onCreate函数，很多应用会在此处做初始化动作，如果初始化模块过多可以考虑延迟加载，应用继续启动来到P0:12/P0:13
Activity对象
Activity的构建开始窗口显示之旅，上面“Android应用进程核心组成”架构图中可以看到Activity核心是PhoneWindow，P0图中步骤13 performLauncherActivity中包含了14/15两个重要的操作，attach函数创建了“PhoneWindow”,这个窗口具体承载了什么信息？用大白话来说点击启动一个应用以后，可以说是显示了一个”窗口”(Window)，这个“窗口”至少要承载两个功能：
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显示内容
-
可以操作
窗口显示的内容就是android的布局（layout），布局信息需要有个“房间”存放，PhoneWindow:mDecor就是这个“房间”，attach首先将布局的“房间”建好，等到后续15 onCreate调用到就会调用setContentView使用应用程序开发者提供的布局(layout)“装饰、填充”这个“房间”。
“房间”填充、装饰好后，还需要能够接收用户的操作，这就要看PhoneWindow中mWindowManager对象，这个对象最终包含一个ViewRootImpl对象，“窗口”正是因为构建了ViewRootImpl才安装上了发动机。
attach函数
final void attach(...) {
mWindow = new PhoneWindow(this, window, activityConfigCallback);
mWindow.setWindowManager((WindowManager)context.getSystemService(Context.WINDOW_SERVICE),mToken,
mComponent.flattenToString(),(info.flags & ActivityInfo.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED) != 0);
}
mWindowManager最后是一个WindowManagerImpl对象，WindowManagerImpl对象的mParentWindow对应了Activity中的PhoneWindow对象。
setWindowManager函数
public void setWindowManager(WindowManager wm, IBinder appToken, String appName,boolean hardwareAccelerated) {
mAppToken = appToken;
mAppName = appName;
mHardwareAccelerated = hardwareAccelerated
|| SystemProperties.getBoolean(PROPERTY_HARDWARE_UI, false);
if (wm == null) {
wm = (WindowManager)mContext.getSystemService(Context.WINDOW_SERVICE);
}
//this对象对应Activity中的PhoneWindow对象
mWindowManager = ((WindowManagerImpl)wm).createLocalWindowManager(this);
}
OK，上面的perfomrLaunchActivity一顿操作已经完成两个“窗口（Activity）”中两个重要变量的初始化，流程走到15 Activity:onCreate函数。
onCreate函数
@Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
}
空的HellWorld工程都默认包含上面两行代码，setContentView就是操作系统给开发机会告诉系统“到底让我显示什么？”就是这么简单的一行代码很可能就是导致应用性能卡顿，那么setContentView干啥了？
setContentView函数
该函数的作用就是使用布局文件填充“房间”mDecor，如果布局文件非常复杂会导致“房间”装饰的费时费力（豪装），装修过程中从原理说就是讲布局文件activity_main中的控件实例化，Android这个过程称作inflate,systrace展示如下：
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上面只是操作系统从让开发给填充、装饰了房间，但是这个房间还没“开灯”，看不见，也没开门（窗口无法操作），因为需要真正把这个窗口注册到WindowManagerService后，WMS同SurfaceFlinger取得联系才能看到，后面我们来分析这个窗口是如何开灯显示，并且能开门迎客接收按键消息的。
随后应用启动流程来到handleResumeActivity：
final void handleResumeActivity(IBinder token,
boolean clearHide, boolean isForward, boolean reallyResume, int seq, String reason) {
...；
//回调应用程序的onResume
r = performResumeActivity(token, clearHide, reason);
...;
if (r.window == null && !a.mFinished && willBeVisible) {
r.window = r.activity.getWindow();
View decor = r.window.getDecorView();
decor.setVisibility(View.INVISIBLE);
ViewManager wm = a.getWindowManager();
WindowManager.LayoutParams l = r.window.getAttributes();
a.mDecor = decor;
l.type = WindowManager.LayoutParams.TYPE_BASE_APPLICATION;
...
if (a.mVisibleFromClient) {
if (!a.mWindowAdded) {
a.mWindowAdded = true;
wm.addView(decor, l);
}
}
}
上面performResumeActivity会回调应用程序的onResume函数，从这里可以看到onResume被回调时用户是看不到窗口的。wm.addView是重点，这一步就要把“房间”亮灯，也就是把窗口注册到wms中着手显示出来，并且开门接收用户操作，这里是调用的WindowManagerImpl.java：addView：
addView函数
public void addView(View view, ViewGroup.LayoutParams params,Display display, Window parentWindow) {
...；
ViewRootImpl root;
View panelParentView = null;
synchronized (mLock) {
root = new ViewRootImpl(view.getContext(), display);
view.setLayoutParams(wparams);
mViews.add(view);
mRoots.add(root);
mParams.add(wparams);
// do this last because it fires off messages to start doing things
try {
root.setView(view, wparams, panelParentView);
} catch (RuntimeException e) {
// BadTokenException or InvalidDisplayException, clean up.
if (index >= 0) {
removeViewLocked(index, true);
}
throw e;
}
}
}
从这里开始创建应用进程最核心的：ViewRootImpl类，它负责与WMS通信，负责管理Surface,负责触发控件的测量、布局、绘制，同时也是输入事件的中转站，可以说ViewRootImpl是整个控件系统运转的中枢，应用进程中最为重要的一个组件，有了ViewRootImpl这个窗口才能开始渲染被用户看到，并且接受用户操作（开灯、开门）。
ViewRootImpl剖析
上面的框架图提到ViewRootImpl有个非常重要的对象Choreographer，整个应用布局的渲染依赖这个对象发动，应用要求渲染动画或者更新画面布局时都会用到Choreographer，接收vsync信号也依赖于Choreographer，我们以一个View控件调用invalidate函数来分析应用如何接收vsync、以及如何更新UI的。
Activity中的某个控件调用invalidate以后，会逆流到根控件，最终到达调用到ViewRootImpl.java : Invalidate
invalidate函数
void invalidate() {
mDirty.set(0, 0, mWidth, mHeight);
if (!mWillDrawSoon) {
scheduleTraversals();
}
}
scheduleTraversals函数
void scheduleTraversals() {
if (!mTraversalScheduled) {
mTraversalScheduled = true;
mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
mChoreographer.postCallback(
Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
if (!mUnbufferedInputDispatch) {
scheduleConsumeBatchedInput();
}
notifyRendererOfFramePending();
pokeDrawLockIfNeeded();
}
}
从上面的代码看到Invalidate最终调用到mChoreographer.postCallback，这代码的含义：应用程序请求vsync信号，收到vsync信号以后会调用mTraversalRunnable，接下来看下应用程序如何通过Choreographer接收vsync信号：
//Choreographer.java
private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
implements Runnable {
private boolean mHavePendingVsync;
private long mTimestampNanos;
private int mFrame;
public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper, int vsyncSource) {
super(looper, vsyncSource);
}
@Override
public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
//应用请求vsync信号以后，vsync信号分发就会回调到这里
if (builtInDisplayId != SurfaceControl.BUILT_IN_DISPLAY_ID_MAIN) {
Log.d(TAG, "Received vsync from secondary display, but we don't support "
+ "this case yet. Choreographer needs a way to explicitly request "
+ "vsync for a specific display to ensure it doesn't lose track "
+ "of its scheduled vsync.");
scheduleVsync();
return;
}
mTimestampNanos = timestampNanos;
mFrame = frame;
Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
}
@Override
public void run() {
mHavePendingVsync = false;
doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
}
}
上面onVsync会往消息队列放一个消息，通过下面的FrameHandler进行处理：
private final class FrameHandler extends Handler {
public FrameHandler(Looper looper) {
super(looper);
}
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
switch (msg.what) {
case MSG_DO_FRAME:
doFrame(System.nanoTime(), 0);
break;
case MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC:
doScheduleVsync();
break;
case MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK:
doScheduleCallback(msg.arg1);
break;
}
}
}
从systrace中我们经常看到doFrame就是从上面的doFrame打印，这说明应用程序收到了vsync信号要开始渲染布局了，图示如下：
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doFrame函数就开始一次处理input/animation/measure/layout/draw，doFrame代码如下：
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
mFrameInfo.markAnimationsStart();
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
比如上面调用Invalidate的时候已经post了一个CALLBACK_TRAVERSAL类型的Runnable，这里就会执行到那个Runnable也就是mTraversalRunnable：
final class TraversalRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
doTraversal();
}
}
performTraversal函数
doTraversal内部会调用大名鼎鼎的：performTraversal，这里app就可以进行measure/layout/draw三大流程。需要注意的时候Android在5.1引入了renderthread线程，可以讲draw操作从UIThread解放出来，这样做的好处是，UIThread将绘制指令sync给renderthread以后可以继续执行measure/layout操作，非常有利于提升设备操作体验，如下：
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上面就是应用进程收到vsync信号之后的渲染UI的大概流程，可以看到app进程收到vsync信号以后就开始其measure/layout/draw三大流程，这里面就会回调应用的应用各个空间的onMeasure/onLayout/onDraw，这个部分是在UIThread完成的。UIThread在完成上述步骤以后会绘制指令（DisplayList）同步（sync）给RenderThread，RenderThread会真正的跟GPU通信执行draw动作，systrace图示如下：
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上图中看到doFrame下面会有input/anim(时间短色块比较小）、measure、layout、draw，结合上面的代码分析就清楚了app收到vsync信号的行为，measure/layout/draw的具体分析就涉及到控件系统相关的内容，这块内容本文不作深入分析，提一下draw这个操作，使用硬件加速以后draw部分只是在UIThread中收集绘制命令而已，不做真正的绘制操作，该部分后续开一篇介绍硬件加速和hwui的文章做介绍。
APP为什么滑动卡顿、不流畅
这里我们指UI/Render线程里面的卡顿，因为这里才涉及Android的核心原理，非UIThread的执行逻辑导致的卡顿需要根据具体业务场景分析，比如影视播放卡顿可能是播放器原因，可能是网络原因等等。UIThread的卡顿有如下几类的原因：
后台进程CPU消耗高
如果CPU被后台进程或者线程消耗，前台的应用流畅性势必会受影响，这点也是很容易被忽略的。
复杂的控件树
复杂的布局不仅会导致inflate时间变长，同时也会导致traversal时间变长，如果traversal + renderthread 的渲染部分不能在16ms内完成就出现掉帧现象，布局优化可以参考前面启动性能文章。
不合理requestLayout
requestLayout顾名思义就是应用布局发生变化，需要重新进行measure/layout/draw的流程，比invalidate调用更重，invalidate只是标记一个“脏区域”，不需要执行meausre/layout调用，只需要重绘即可。requestLayout调用意味着频繁的traversal动作，此时肯定会导致卡顿掉帧问题。
UIThread block
UIThread被block的因素多种多样，有binder block、IO block等等，具体见应用启动性能分析文章；前面问题小结中提到了一个问题：surfaceview刷新为什么用户界面没有卡顿?原因是surfaceview拥有独立的surface画布（从surfaceview这个名字就能知道），所以surfaceview可以在开发者自建的thread中刷新，这样视频刷新就不会影响到uithread。GLSurfaceView更高级一些，控件本身就会创建子线程。理解这个以后其实可以更多的扩展思路，比如GLSurfaceView本质上就是将UI数据当成纹理，放在子线程中传入GPU，按照此思路我们是否有办法将Bitmap等数据也放到子线程传入GPU，其实也是可以的，也就是下文提到的“异步纹理”，可以将图片数据放在开发者自定义的线程中渲染，Android有很多好玩的控件，比如TextureView，SurfaceTexture，把所有这些控件原理都理解以后对扩展优化思路有很大帮助，本文不再纤细介绍了。
RenderThread block
这个原因很少有文章提到，流畅的应用渲染需要16ms，但是具体这个16ms要做哪些事情，如下图：
可以看到一个vsync的16ms要UIThread + RenderThread配合完成才能保证流畅的体验，UIThread是执行traversal调用，RenderThread其中很重要的一个操作是跟GPU通信将图片上传GPU，上传图片期间UI Thread也是block状态，所以魔盒、TV瀑布流的桌面、影视无法实现边滑动边上传渲染图片，实现过了异步渲染的机制将图片非UI/RT Thread，实现边滑动边出图的效果。
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总结和展望
本文从代码层面，把应用进程启动和渲染的流程走读了一遍，理解了Android的渲染原理对于理解其他UI框架或者引擎有比较好的借鉴意义，比如研究google的flutter框架时会更轻松：
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上图从网络上搜到的flutter 框架的流程图，这个流程是不是有点像套娃战术，同样是vsync信号、UI线程，GPU线程（也就是android的renderthread）两线程加速性能。Android的UI 线程的draw最终只负责将绘制操作转化为绘制指令(DisplayList)，真正负责和GPU交互来绘制的是RenderThread，flutter其实看到也是同样的思路，UI线程绘制构建LayerTree同步给GPU线程，GPU线程通过Skia库跟GPU交互。
最后对于程序员来说，要学习的知识内容、技术有太多太多，要想不被环境淘汰就只有不断提升自己，从来都是我们去适应环境，而不是环境来适应我们！
文末
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